守正
分类:
2010-05-27 09:52:41
要理解生产消费者问题,首先应弄清PV操作的含义:PV操作是由P操作原语和V操作原语组成(原语是不可中断的过程),对信号量进行操作,具体定义如下:
P(S):①将信号量S的值减1,即S=S-1;
②如果S30,则该进程继续执行;否则该进程置为等待状态,排入等待队列。
V(S):①将信号量S的值加1,即S=S+1;
②如果S>0,则该进程继续执行;否则释放队列中第一个等待信号量的进程。
这只是书本的定义,对于这部分内容,老师先不要急于解释上面的程序流程,而是应该让学生首先知道P操作与V操作到底有什么作用。
P操作相当于申请资源,而V操作相当于释放资源。所以要学生记住以下几个关键字:
P操作-----à申请资源
V操作----à释放资源
为此举两个生活中的例子:
例一:在公共电话厅打电话
公共电话厅里有多个电话,如某人要打电话,首先要进行申请,看是否有电话空闲,若有,则可以使用电话,如果电话亭里所有电话都有人正在使用,那后来的人只有排队等候。当某人用完电话后,则有空电话腾出,正在排队的第一个人就可以使用电话。这就相当于PV操作:
某人要打电话,首先要进行申请,相当于执行一次P操作,申请一个可用资源(电话);
某人用完电话,则有空电话腾出,相当于执行一次V操作,释放一个可用资源(电话)。
在多媒体课件中,这部分内容充分通过动画效果,演示整个申请电话资源(P操作)与释放电话资源(V操作)的过程,同时显示当前可用的资源个数(电话个数)。课件直观生动,一目了然,学生非常容易接受,并且理解深刻。
在理解了PV操作的的含义后,就必须讲解利用PV操作可以实现进程的两种情况:互斥和同步。根据互斥和同步不同的特点,就有利用PV操作实现互斥与同步相对固定的结构模式。这里就不详细讲解了。但生产者-消费者问题是一个有代表性的进程同步问题,要学生透彻理解并不容易。但是如果我们将问题细分成三种情况进行讲解,理解难度将大大降低。
1)一个生产者,一个消费者,公用一个缓冲区。
可以作以下比喻:将一个生产者比喻为一个生产厂家,如伊利牛奶厂家,而一个消费者,比喻是学生小明,而一个缓冲区则比喻成一间好又多。第一种情况,可以理解成伊利牛奶生产厂家生产一盒牛奶,把它放在好又多一分店进行销售,而小明则可以从那里买到这盒牛奶。只有当厂家把牛奶放在商店里面后,小明才可以从商店里买到牛奶。所以很明显这是最简单的同步问题。
解题如下:
定义两个同步信号量:
empty——表示缓冲区是否为空,初值为1。
full——表示缓冲区中是否为满,初值为0。
生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
产品送往Buffer;
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full);
从Buffer取出一个产品;
V(empty);
消费该产品;
2)一个生产者,一个消费者,公用n个环形缓冲区。
第二种情况可以理解为伊利牛奶生产厂家可以生产好多牛奶,并将它们放在多个好又多分店进行销售,而小明可以从任一间好又多分店中购买到牛奶。同样,只有当厂家把牛奶放在某一分店里,小明才可以从这间分店中买到牛奶。不同于第一种情况的是,第二种情况有N个分店(即N个缓冲区形成一个环形缓冲区),所以要利用指针,要求厂家必须按一定的顺序将商品依次放到每一个分店中。缓冲区的指向则通过模运算得到。
解题如下:
定义两个同步信号量:
empty——表示缓冲区是否为空,初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满,初值为0。
设缓冲区的编号为1~n-1,定义两个指针in和out,分别是生产者进程和消费者进程使用的指针,指向下一个可用的缓冲区。
生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
产品送往buffer(in);
in=(in+1)mod n;
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full);
从buffer(out)中取出产品;
out=(out+1)mod n;
V(empty);
消费该产品;
}
3)一组生产者,一组消费者,公用n个环形缓冲区
第三种情况,可以理解成有多间牛奶生产厂家,如蒙牛,达能,光明等,消费者也不只小明一人,有许许多多消费者。不同的牛奶生产厂家生产的商品可以放在不同的好又多分店中销售,而不同的消费者可以去不同的分店中购买。当某一分店已放满某个厂家的商品时,下一个厂家只能把商品放在下一间分店。所以在这种情况中,生产者与消费者存在同步关系,而且各个生产者之间、各个消费者之间存在互斥关系,他们必须互斥地访问缓冲区。
解题如下:
定义四个信号量:
empty——表示缓冲区是否为空,初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满,初值为0。
mutex1——生产者之间的互斥信号量,初值为1。
mutex2——消费者之间的互斥信号量,初值为1。
设缓冲区的编号为1~n-1,定义两个指针in和out,分别是生产者进程和消费者进程使用的指针,指向下一个可用的缓冲区。
生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
P(mutex1);
产品送往buffer(in);
in=(in+1)mod n;
V(mutex1);
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full);
P(mutex2);
从buffer(out)中取出产品;
out=(out+1)mod n;
V(mutex2);
V(empty);
【阅注】
对于第三种情况,多个消费者和多个生产者,公用n个环形缓冲区时,实际上,默认的有个条件,即产品的生产和消费都在临界区之外,临界区保护的只是入库和出库的操作。
另外,从上面的代码看:out=(out+1)mod n;和 n=(in+1)mod n;入库和出库操作一定都是依次进行的,而且实际上还需要另外一个默认的条件,即:各个入库操作之间是互斥的,而各个出库操作之间也是互斥的。这样,就不存在各个并行的出库操作之间完成的有先有后,于是才保证了,out=(out+1)mod n 这种简单的方式是合理可行的。
如果入库操作相互之间不互斥,出库相互之间不互斥,就不能保证出库时是按照入库顺序进行的。
考虑下面的情形:
A开始入库->B开始入库->C开始入库->A完成入库-->C完成入库-》B完成入库
a开始出库 ->b开始出库-> c开始出库
可见,上面的情形,是不能保证出库一定是按照入库的顺序进行的,而且很危险,因为如果按照入库顺序来出库,b出库时,应该获取的是B入库的数据,但是在b开始出库时,实际上B还没有完成入库,那时候是C完成了入库,库中的确有两个可用的数据,但是中间间隔了一个缝隙,而b去读的恰恰是这个缝隙,此时就形成了入库与出库的并发。即使采用队列结构也没用,因为队列结构并不能保证入库完成的先后顺序。